熔鹽槽式光熱電站的特點和優(yōu)勢詳解

  近日，德國光熱發(fā)電工程咨詢公司CCO Services應(yīng)本網(wǎng)之邀，撰寫了一篇題為《熔鹽槽式光熱電站的特點和優(yōu)勢》的文章，將熔鹽槽式光熱發(fā)電技術(shù)與傳統(tǒng)的以導(dǎo)熱油為傳熱工質(zhì)的槽式光熱發(fā)電技術(shù)進行了詳細比較。文章指出，熔鹽槽式光熱發(fā)電技術(shù)將大大提升光熱發(fā)電效率，降低光熱發(fā)電的度電成本。

以下為文章的中譯版（摘選）：

　　當前，槽式光熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展過程中缺少創(chuàng)新，當下已投運的大部分商業(yè)化槽式光熱電站所采用的技術(shù)都是十年前的。

　　以前，槽式光熱發(fā)電技術(shù)的創(chuàng)新點主要集中在槽式集熱器的結(jié)構(gòu)上。20世紀80年代初，第一個商業(yè)化槽式光熱電站在美國加利福尼亞光資源條件極好的Harper湖和Kramer的交界處建成。該項目所采用的LS 1集熱器基礎(chǔ)模塊的長度只有50米左右，開口寬度小于5米。同時，更大開口的集熱器和更精準的光學追蹤系統(tǒng)逐漸被研發(fā)出來，進一步減少了系統(tǒng)所需要的驅(qū)動裝置數(shù)量，同時使系統(tǒng)所需要的地基設(shè)施更少，管道更少，導(dǎo)熱流體用量也相應(yīng)減少，此外還降低了能源消耗率。目前，在這方面最具創(chuàng)新性的設(shè)計是Ultimate Trough槽式集熱器，其優(yōu)化后的開口寬度超過7.5米，長度大約為250米。

　　而在槽式光熱電站的其他環(huán)節(jié)，我們不得不說在過去10年里沒有發(fā)生哪些重大創(chuàng)新。另一方面，能源行業(yè)普遍抱怨光熱發(fā)電不能滿足人們對其發(fā)電成本降低的預(yù)期，尤其是跟風電和光伏發(fā)電相比仍有一定差距。

　　因此，光熱發(fā)電未來的發(fā)展目標很明確：CSP技術(shù)必須要更加高效，其相關(guān)組件應(yīng)該成為大眾化的產(chǎn)品，而不是必須采用量身定制的帶有壟斷特征的解決方案。

　　那么如何才能提高CSP系統(tǒng)的效率？如何才能使CSP系統(tǒng)的關(guān)鍵組件實現(xiàn)大規(guī)模批量化生產(chǎn)呢？

　　我們認為，后者只能通過為制造商提供足夠市場容量的商業(yè)化行為來解決問題。比如中國政府最近宣布，到2020年中國將完成規(guī)模為10GW的光熱電站裝機，這就可以為產(chǎn)業(yè)鏈各相關(guān)方提供充足的市場。許多制造商都有望借此機會，通過實現(xiàn)批量化生產(chǎn)來降低成本。

　　槽式光熱電站的效率提升意味著：用較少的資源、設(shè)備和相關(guān)設(shè)施可以生產(chǎn)更多的電力?？紤]到光熱電站的發(fā)電原理，我們必須關(guān)注技術(shù)原理類似的發(fā)電過程：在化石燃料發(fā)電站，提高蒸汽溫度可以有效提高發(fā)電效率。同樣，為了提高槽式光熱電站的效率，我們必須提高系統(tǒng)所有工作流體的運行溫度。

　　因為有機導(dǎo)熱油的化學穩(wěn)定性有限，我們需要找到運行溫度可以高于400℃的替代工質(zhì)。水可以滿足溫度條件，但是水工質(zhì)的缺陷就是其較低的沸點和較高的系統(tǒng)壓力。另外，以蒸汽為基礎(chǔ)的能源存儲系統(tǒng)離商業(yè)化應(yīng)用還為時尚早。

　　目前，能達到高溫且最有前景的解決方案就是使用熔鹽，不僅用作儲熱工質(zhì)，也是主要的導(dǎo)熱流體。從積極的角度來看，導(dǎo)熱工質(zhì)的受熱膨脹問題和系統(tǒng)清潔將不再是問題，同時電站的環(huán)境友好性將大大加強。

　　另外，較高的運行溫度，以及相對更大的換熱溫度區(qū)間可以大大減少傳熱工質(zhì)的使用量，系統(tǒng)使用的熔鹽總量會非常小。以儲熱罐為例，如果儲存相同的熱量，使用熔鹽的儲罐體積比使用導(dǎo)熱油的儲罐體積可以減少65%以上。使用導(dǎo)熱油的槽式光熱電站設(shè)計限制了可以吸收光資源的最高水平。換句話說，從光資源角度來講光場可以按900或者1000W每平米的輻照來設(shè)計，但因為介質(zhì)問題只能設(shè)計為700或者800W每平米。這樣做主要是出于經(jīng)濟方面的考慮，因為要吸收更多太陽能，必須增大導(dǎo)熱油用量來避免導(dǎo)熱油過熱碳化變質(zhì)。同時，導(dǎo)熱油量增多將導(dǎo)致系統(tǒng)必須采用更多和更大的輔助設(shè)備，包括鹽/油換熱器，管道，蒸汽發(fā)生系統(tǒng)及所有與光場相關(guān)聯(lián)的高壓裝置。

　　熔鹽可以在560℃以上穩(wěn)定運行，甚至直接在大氣中曝光也不會改變特性。因此，熔鹽系統(tǒng)無須使用運維成本高昂的氮封系統(tǒng)。

　　總結(jié)來說，用熔鹽作為主要的傳熱工質(zhì)，具有以下特點：工作溫度更高，可達550℃以上；熱-電轉(zhuǎn)換效率更高；相比導(dǎo)熱油工質(zhì)無毒和不易燃；無須擔心傳熱工質(zhì)膨脹問題，系統(tǒng)運維更加簡單；儲熱容量相同時儲罐體積更??；無須使用鹽/油換熱器；系統(tǒng)自耗電量更少。

　　開發(fā)熔鹽槽式光熱電站將面臨的挑戰(zhàn)

　　不過，把熔鹽作為傳熱工質(zhì)也要承擔一些風險和挑戰(zhàn)，這些問題需要在工程系統(tǒng)中考慮和解決。

　　建立性能模型

　　針對光熱電站的特點創(chuàng)建一個合適的性能模型對電站所有利益相關(guān)方都是至關(guān)重要的：業(yè)主需要針對他們的商業(yè)計劃得出一個可靠的輸出預(yù)測報告；EPC承包商需要設(shè)備選型和預(yù)測相關(guān)數(shù)據(jù)；運營商則需要計算出實際運營階段需要達到的額定功率數(shù)據(jù)。

　　理想狀態(tài)下，性能模型需要通過對比計算機模擬結(jié)果和實際運營數(shù)據(jù)來進行驗證。但由于目前熔鹽槽式光熱電站非常少，所以可用于驗證結(jié)果的電站實操數(shù)據(jù)非常少。這就給建立可靠的性能模型帶來了困難。

　　熔鹽防凝問題

　　目前，全球許多研發(fā)項目都希望找到一種在600℃以上的高溫情況下也能保持穩(wěn)定運行的流體工質(zhì)，同時該工質(zhì)的凝固溫度也很低，可以滿足冬天光熱電站的運行需要。但是到目前為止，這一研究課題還沒有取得突破性進展。目前，我們可以通過配置熱能存儲系統(tǒng)或者備用加熱器來解決防凍難題，在一些試驗設(shè)施和工業(yè)應(yīng)用項目上上述防凍保護管理措施已經(jīng)被證明是可行的。因此，防凍管理技術(shù)將成為一項專門的技術(shù)，而且在熔鹽槽式光熱電站等應(yīng)用領(lǐng)域，上述已經(jīng)比較先進的防凍技術(shù)還有很大的提升空間。

　　雖然有上述安全措施作為保障，但熔鹽仍有發(fā)生凝固的可能，這時我們可以利用集膚效應(yīng)原理，用電來加熱吸收器管道。在其他一些示范性項目中，這一解凍技術(shù)已被意大利Priolo Gargallo的ISCC電站證明是可行的，而且不會對設(shè)備造成任何損壞。管道電阻抗加熱是可以應(yīng)用在熔鹽槽式光熱電站的一項專業(yè)技術(shù)。

　　材料方面的挑戰(zhàn)

　　在400℃以上的運營溫度下需要使用不銹鋼或特殊合金鋼。對熔鹽槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)來說，這意味著在高溫情況下，要求相關(guān)系統(tǒng)組件的級別更高，自然成本也會更昂貴，質(zhì)量控制也需要更加嚴格。但與導(dǎo)熱油系統(tǒng)相比，熔鹽槽式光熱系統(tǒng)的管道總需求量、傳熱介質(zhì)需求量以及相關(guān)支持系統(tǒng)需求量明顯減少，因此使用高合金鋼所帶來的額外成本就得到了一定的補償。

　　熔鹽槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)和導(dǎo)熱油槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)的性能和商業(yè)化對比

　　一般性對比

　　從基本原理來看，熔鹽被選為傳熱介質(zhì)，因為它能實現(xiàn)更高的效率和能源密度。工作溫度可以達到550℃以上，較高的系統(tǒng)溫度使整個系統(tǒng)所需熱工質(zhì)的總量大大減少。例如，采用運行溫度范圍在290℃到550℃的熱工質(zhì)槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)與采用運行溫度范圍在290℃到390℃的熱工質(zhì)（以導(dǎo)熱油為傳熱工質(zhì)的常規(guī)槽式光熱電站）相比，熱工質(zhì)存儲儲罐的體積可以縮小60%左右。

　　其實從運行工作溫度角度來說，采用熔鹽為傳熱工質(zhì)的光熱系統(tǒng)和采用導(dǎo)熱油為傳熱工質(zhì)的光熱系統(tǒng)在本質(zhì)上是兩種技術(shù)思路完全不同的光熱系統(tǒng)。

　　針對上述不同的光熱發(fā)電設(shè)計進行技術(shù)優(yōu)化之后便形成了不同規(guī)模的電廠。因為建設(shè)一個大規(guī)模存儲系統(tǒng)所帶來的巨大成本，以及在釋放熱量時系統(tǒng)整體凈效率較低，所以采用導(dǎo)熱油做傳熱工質(zhì)的光熱電站所配置的儲熱系統(tǒng)的儲熱時長一般不會超過8小時。反之，采用熔鹽做傳熱工質(zhì)的光熱系統(tǒng)儲熱成本較低，為了盡可能降低發(fā)電成本，根據(jù)地域不同儲熱系統(tǒng)的儲熱時長最高可以達到14個小時以上。這意味著配置長時間儲熱系統(tǒng)的光熱電站可預(yù)見性的成為幾周或者幾個月的基礎(chǔ)電力負荷。

　　集熱器的規(guī)格和聚光比對比

　　事實上，比較技術(shù)是非常復(fù)雜的。首先要了解不同技術(shù)適合不同的集熱器。因為熔鹽系統(tǒng)的運行溫度更高，顯而易見，它的熱損失也要高得多。因此，一般來說使用熔鹽做傳熱工質(zhì)時系統(tǒng)集熱效率較低。但是，系統(tǒng)工作溫度越高，郎肯循環(huán)的效率更高，因此發(fā)電效率也會更高。

　　綜合來看，采用熔鹽為傳熱工質(zhì)的系統(tǒng)整體效率會更高。為了使整體效率最大化，收集太陽能的效率應(yīng)盡可能高，這可以通過提高聚光比來實現(xiàn)。下面用一個試驗來描述，下圖記錄了應(yīng)用標準的直徑為70毫米的集熱管和其它不同直徑大小的集熱管時，分別采用熔鹽和導(dǎo)熱油時系統(tǒng)運行的不同溫度。導(dǎo)熱油的運行溫度上限一般是390℃左右，而熔鹽的運行溫度上限溫度一般是550℃左右。從圖中可以看出，系統(tǒng)的整體效率（綜合汽輪機效率和集熱器效率）隨著集熱管的直徑增大而增加，并且熔鹽系統(tǒng)比導(dǎo)熱油系統(tǒng)效率增加的更明顯。

圖：不同熔鹽系統(tǒng)和導(dǎo)熱油系統(tǒng)的集熱效率和系統(tǒng)整體效率